机构:技术上的重重挑战——6G与5G毫米波的“未知之路”

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集微网消息,蜂窝技术即将迈向巨大飞跃,但是在5G毫米波和即将到来的6G生态系统中使用的芯片封装、组装和测试将比过去使用的任何技术都要复杂得多,对此知名半导体分析机构semiengineering做了深入分析。

目前,大多数5G设备仍在sub-6GHz的频率下工作。在未来几年内,对毫米波技术的大规模推广将显著加快数据传输的速度,在理想条件下可实现高达10 Gbps的传输速率。而6G预计将在本十年后期推出,与毫米波相比,数据速度将提高两个数量级,即1Tbps,而5G毫米波的速度为10 Gbps。

5G毫米波和6G都面临一个基本挑战,即信号容易受到天气或固体物体(如窗户和墙壁)的干扰。因此,这些信号的实际范围可能达到1000英尺甚至更远,但信号强度足以发挥作用的有效范围在300到500英尺之间。而对于6G频率而言,这个有效范围还要更短。6G信号的传播距离可以与5G相当,但在距离越短的情况下,有效范围下降得越快。

有一些工程解决方法可以提高这些信号的传播距离,但是与4G LTE或sub-6GHz的5G相比,难以保证服务质量,特别是当信号传播或接收器的一方或两方处于运动状态时。为了充分发挥5G毫米波的潜力,在高密度地区,每平方英里估计需要大约60个小型基站。而对于6G来说,这个数字将更高,但目前还不清楚具体有多高。

然而,所有这些对目标应用案例都产生了广泛的影响。例如,毫米波和6G在受控环境中表现良好,比如在体育场、公司或工业设施内。它们也可以用于固定点对点通信,比如边缘网络的建设。但是,与4G LTE或sub-6GHz的5G相比,在交通拥挤时使用移动手机更容易受到干扰,并且在郊区或农村地区要找到连续连接更为困难。

芯片和封装挑战

所有这些设备的芯片也变得越来越复杂。过去,基站和手持设备中通常使用完全不同的芯片架构,这是很常见的。但现在的挑战是要保持与信号的连接,这需要围绕物体和其他潜在的干扰源进行波束成形。它还需要将天线阵列集成到封装中,以减少信号传输距离、降低功率和延迟。这意味着天线需要集成到封装中,并且与5G相比,在6G中天线需要更多地暴露在封装之外。

芯片本身将需要构建多个非常薄的层(layer),可以是在重布线层(RDLs)中,也可以使用一些层压工艺。这两种方法都容易出现机械问题,比如翘曲,目前尚不清楚哪种方法将成为首选工艺。

“高速射频的RDL构建的一个致命弱点是无法轻松堆叠过孔,这是通道中最高阻抗的问题之一,”Amkor Technology的研发副总裁Curtis Zwenger表示。“如果你在RDL结构中需要使用狗骨式过孔连接,那将造成相当严重的回波损耗问题。这就是有机材料的优势所在,因为你可以将过孔堆叠在改良型半加成工艺(mSAP)中。在6G时代,我们同时在层压和RDL方面进行研究,以确定最终哪种方法更胜一筹。RDL存在挑战,因为它的层压非常薄。对于三层或四层的层压结构,总厚度可能只有35μm,因此失去了基板通常提供的结构完整性。然后,它被该模块的成型部分接管,可调的参数有限。但对于层压,我们花费了很多时间对第二级组装的翘曲进行模拟。所有基带电路、上/下变频和模拟波束成形的电路都可以在成型结构中完成,然后将天线置于其上。这就像一个嵌套式封装。”

这只是问题的一部分。“互连技术至关重要,”Zwenger表示, “你必须匹配阻抗线并确保每个天线都接收到相同的信号,没有任何信号衰减损失。在进行实际测试之前,需要进行大量的前端模拟工作,因此你只能依靠模拟来帮助你做出这些非常重要的决策。”

基于5G毫米波的有限推出,芯片行业刚刚开始了解6G的影响。“我们正在摸索不同类型连接的最佳频率,”国家仪器战略业务发展高级总监Chen Chang表示。“七八年前,当5G刚开始时,每个人都认为毫米波将会主导世界并解决所有问题。现在我们正在吸取教训。我们仍然需要中频和低频来实现覆盖,这些频段在效率、吞吐量以及同时支持的用户数量方面不断提高。行业带来的所有创新基本上都满足了消费者在持续连接方面乐意支付的最佳费用需求,但他们还需要在任何时候都能获得千兆比特的吞吐量,并且几乎在任何地方都需要可靠而稳定的超额服务。这确实开始推动了许多部署工作。”

这实质上是一个三层的方法,城市中心和体育场的数据下载速度最快,相对较快的是郊区,而农村地区的连接速度则低于1 GHz。但在未来可能会有更多选择。

“一个值得关注的有趣技术是卫星通信,”Chang说道。“这对于没有任何网络覆盖的偏远地区来说至关重要。出于安全原因,紧急连接是绝对必需的,但它不一定是持续连接的。”

选择性用例更多

地理位置仍然起着作用,但设备的实际使用方式也将发挥重要作用。这些用例可能因应用、人口密度和地区而异。例如,Research and Markets的一份报告预测,毫米波技术将首先在北美和欧洲推广,紧随其后的是新加坡、日本、台湾和韩国。该研究机构指出,丹麦、马耳他和法国已经采用了这项技术。

2020年,日月光在其智能工厂中引入了5G毫米波应用,利用人工智能和自动导引车对生产线进行自动检查。摄像头嵌入到智能无人车中,以检测和监视生产车间。该公司表示,Wi-Fi基站的覆盖范围通常不足以覆盖大型制造区域,但通过使用毫米波技术,他们能够最小化延迟并改善无线连接,使这些车辆能够在工厂车间内无缝移动。毫米波网络还允许“在维护过程中同时传输高分辨率图像,以进行后端分析。”这反过来使公司能够快速调整,并提高设备维护的效率。

在任何工厂或工业场景中,可能会有多种传输数据的方法,其中一些基于速度或安全性,另一些基于成本和物理限制。“使用工业以太网,您需要在工厂内部线路上布设大量电缆,”Renesas Electronics的高级总监Tim Nguyen表示。“这就是为什么在这些工业应用中会看到许多组合,包括工业以太网和不同的协议,如EtherCAT,以及5G/6G,这样能够提供更大的灵活性。”

安全问题

但是,这种灵活性还需要充分理解应该使用哪种技术来发送哪些数据,每种技术都存在安全隐患。

“当你观察Wi-Fi时,一旦信号穿过四面墙之外,它就变得相对自由了,”英飞凌产品安全技术营销高级总监Erik Wood表示。“当转向5G和未来的6G时,我们只是通过来回移动调整信号覆盖范围的半径。但是,一旦它离开了四面墙的范围,我们必须像对待来自外国的计算机终端的攻击一样对待它,因为一旦离开四面墙,我们就无法真正定义它。无论它是一英里远还是一万英里远的地方,我们无法对反措施和支持这些反措施的技术要求有不同的期望。”

其他人也指出了类似的担忧。MITRE Engenuity的首席技术专家Raj Jammy表示:“我们现在有很多WiFi、蓝牙、LTE、5G系统。我们随身携带着这些设备。它们在我们家里、车里——无处不在。这就给人们提供了另一个机会,通过这些天线发送信号并拦截其中一些芯片,并让它们在数据移动时传输信息。指令也在这些芯片之间传输。因此,存在明显的漏洞,每个公司对它们已知的漏洞都有一些了解。但通常我们需要担心的是未知的未知事物,而且我们知道那里潜伏着许多未知的未知因素。”

时间表

“6G的推出大约在本十年末,”Keysight Technologies的PathWave软件解决方案副总裁兼总经理Niels Faché表示,“有很多公司正在致力于研发6G技术,我们支持市场早期阶段的发展。有时候对某项技术押注可能不太顺利,但在这个市场上,你肯定知道谁是主要的玩家,我们知道如何与他们保持一致。如果想在这个市场上立足,就必须尽早加入,而不是等到标准最终确定才开始。我们的很多客户已经在构建原型了。对于我们来说,我们已经知道频率范围、带宽,并且掌握了足够的信息来开始设计仪器,因为这些都要非常长的开发周期。我们不能袖手旁观,等着看情况如何发展。当市场准备好起飞时,我们也必须做好准备。”

在设计方面,最大的挑战是这些技术不断变化,这给开发出良好的模型和方法带来了困难。“5G的规范经常在变化,现在6G也是如此,”西门子EDA公司的硬件辅助验证副总裁兼总经理Jean-Marie Brunet表示。“一旦规范发生变化,你就需要将其简化,并创建一个模型,以便将修改应用于规范,并在虚拟环境中观察其反应。但需要验证的并不仅仅是芯片,还有整个生态系统。例如,我们在汽车领域看到了很多活动。如果下雨和不下雨会发生什么?天气变化时,信号的表现会有所不同吗?”

结论

无论涉及哪种通信技术,移动大量数据都涉及许多变量,并且目前还有许多悬而未决的问题。使用更高频率进行无线数据传输存在一系列需解决的挑战,只有在这些挑战得到完全解决之后,该技术的优势才能得到充分实现。

“对于一些先进的封装技术来说,可靠性至关重要。”Amkor公司的Zwenger表示, “在汽车行业,随着电动化和最终的自动驾驶辅助系统(ADAS)的出现,它们将依赖于被认为是高度可靠的网络,以维持我们期待的自主环境,同时还支持人工智能、增强现实/虚拟现实以及所有高速云服务。这将对基础设施造成巨大的压力。”

但这只是已知或疑似的挑战。就像任何新技术一样,需要时间才能理解可能发生的问题,而且随着使用量的增加和数据量的增长,可以肯定的是,在实验室、晶圆厂和实际场景中将出现许多其他问题。

责编: 武守哲
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